一种水平及微倾斜管内气液两相水动力段塞流的判别方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水平及微倾斜管内气液两相水动力段塞流的判别方法，属于海洋石油工程领域。
【背景技术】
[0002]在海洋油气生产过程中，正确预测气液多相管内的流型对实际工业生产的设计、监测及控制均有重要的意义，而发生在倾斜管道内的段塞流由于其气液相间歇流动的特性，对油气生产和储运的安全构成危险因素，因此是油气输送过程中尤为关注的多相流问题。目前，国内外已有众多研宄者提出了段塞流的理论预测模型，例如Kordyban与Ranov、Taitel与Dukler、Lin与Hanratty、Ruder与Hanratty等人。他们的理论预测模型大多基于K-H不稳定性理论或者界面波的不稳定性理论，虽然能够成功预测分层流到段塞流的转变界限，但各个理论的适应范围皆有局限，例如粘性对K-H不稳定性理论有明显影响，由此有研宄者提出了 VKH不稳定性理论，考虑液相粘性对界面波发展的影响，有效扩充了 K-H不稳定性理论的适应范围，但实际段塞流气塞过程极为复杂，理论预测模型很难充分考虑各个因素对的影响。且在折算气速较低的情况下，VKH与IKH尚有一定不足。
【发明内容】
[0003]针对上述问题，本发明的目的是提供一种操作简单、判别准确的水平及微倾斜气液两相水动力段塞流的判别方法。
[0004]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种水平及微倾斜管内气液两相水动力段塞流的判别方法，包括以下步骤:
[0005]I)在漂移流关系式的基础上，基于实验结果得到的液相相含率H_EXP，改进漂移速度Utl的表达式，改进后的U ^为液相折算速度U a的函数:
[0006]U0 (Usl) = Ug-Um= U SG/ (1-Hl_exp) -Um
[0007]= (Um-Usl)/( 1_Hl_exp)-Um
[0008]上式中，Ue表示气相速度；UM表示气液两相的混合速度山^表示气泡在静止液体中的上升速度(也称漂移速度)；ua表示液相折算速度；u se表示气相折算速度；
[0009]2)根据Utl随U a的变化规律关系式，绘制漂移速度U ^随液相折算速度U %的曲线，并根据曲线形态判断气液两相水动力段塞流，具体的判断准则为:当漂移速度Utl随液相折算速度1的增大而递增时，管道内的流道为分层流；当漂移速度U ^出现由递增变为递减的拐点时，管道内的流动由分层流开始转变为段塞流；在漂移速度Utl的递减段，当出现曲线线型发生变化的转折点时，管道内的流动由段塞流开始转变为泡状流。
[0010]在所述步骤2)判断准则的基础上，以液塞区体积分数α作为水动力段塞流的量化判据，具体判定方式如下:当α〈O时即表示管道中没有液塞区域，即为分层流；当0〈(!〈I时，表示管道中有液塞区以及Taylor气泡区，此时流动为段塞流；当α>1时，表示液塞区充满整个管道，此时流动为泡状流；
[0011]其中，液塞区体积分数α的物理意义为:液塞区长度占总管长的比例，其表达式如下:
[0012]α — (HL_av-HL_ST) / (Hl_sl-Hl_st)
[0013]上式中，Hwv表示管内的总体平均液相相含率；HmT表示Taylor气泡区的液相相含率表示液塞区的液相相含率。
[0014]液塞区体积分数α表达式中的凡、UP H L_SL由下式得到:
[0015]Hl= 1-U sg/Ug= (U SL+U0 (Usl) ) / (UM+U0 (Usl))
[0016]Hl_st — 1-U sg-st/Ug-st — (U sl-st+Uo (Usl-st) ) / (?+? (Usl_st))
[0017]Hl_sl — 1-U sg-sl/Uq-sl — (U sl-sl+Uo (Usl-sl) ) / (?+? (USL_SL));
[0018]上式中，USL_ST表示Taylor气泡区的液相折算速度；U SG-ST表示Taylor气泡区的气相折算速度；Ue_ST表示Taylor气泡区的气相速度；U 表示液塞区的液相折算速度；Usei表示液塞区的气相折算速度表示液塞区的气相速度。
[0019]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明基于漂移流模型以及改进的漂移速度Utl的表达式提出了一种简洁的水动力段塞流判别方法；2、提出了液塞区体积分数的概念，作为水动力段塞流的判别准则，结合I中的判别方法，能够实现管内水动力段塞流与分层流、泡状流的快速区分。
【附图说明】
[0020]图1 U0(Usl)随 Usl变化规律(局部，Um= 10m/s)；
[0021 ] 图2对数坐标下U0 (Usl)随Usl变化规律(U M= 10m/s);
[0022]图3本发明模型预测结果与经典预测模型的比较；
[0023]图4水平管段塞流示意图；
[0024]图5 U0 (Usl)随USL变化规律示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0026]本发明提出了一种水平及微倾斜气液两相水动力段塞流的判别方法，它包括以下步骤:
[0027]I)在漂移流关系式的基础上，基于实验结果得到的液相相含率H_EXP，改进漂移速度Utl的表达式，使之能够适应低气液流速的流动工况，具体过程如下:
[0028]①将漂移流关系式Ue= 结合两相流表观气速与气相速度的关系Use= Ug -Hg以及液相、气相相含率的关系HJHe= 1，可以得到液相相含率I的表达式:1= 1-Use/(cuM+u0)；
[0029]上式中，Ue表示气相速度；UM表示气液两相的混合速度；C.Um表示气相速度中由于管内流动引起的速度分量，其中C为分布参数(为漂移流模型的专用名词)；％表示气泡在静止液体中的上升速度(也称漂移速度)；扎、He分别表示液相与气相的相含率；Ua、Usg分别表示液相与气相折算速度。
[0030]②经过大量的实验验证，分布系数C的值约等于1，结合两相流混合速度的定义式Um= UsJUse，可以将液相相含率扎的表达式简化为:
[0031]Hl= (U SL+U0)/(UM+U0)
[0032]但以上漂移流模型有一个典型的局限:不适应于液相折算速度较低的情况。当液相折算速度Ua趋近于O时，液相相含率并不趋近于0，而是某一固定值:
[0033]Hl= U0/(UM+U0)
[0034]③由于上述液相相含率扎的表达式不能反映真实的物理过程，因此本实施例采用由实验结果得到的液相相含率IVexp代替，此时由两相流表观气速与气相速度的关系式，可以得到Utl随U a的变化规律:
[0035]U0 (Usl) = Ug-Um= U SG/ (1_HL_EXP)-UM
[0036]= (Um-Usl)/( 1_Hl_exp)-Um
[0037]当Um为固定值时，U0(Usl)可以视为Us^J函数。对于上式中的液相相含率H卜-，本实施例采用Bhagwat在2014基于实验结果修正的漂移流模型计算，Bhagwat模型修正了传统漂移流模型不能适用于低液相折算速度的局限，其计算结果与实验结果较为接近。
[0038]2)根据Utl随U a的变化规律关系式，绘制漂移速度U ^随液相折算速度U %的曲线，并根据曲线形态判断气液两相水动力段塞流，具体的判断准则为:当漂移速度Utl随液相折算速度1的增大而递增时，管道内的流道为分层流；当漂移速度U ^出现由递增变为递减的拐点时，管道内的流动由分层流开始转变为段塞流；在漂移速度Utl的递减段，当出现曲线线型发生变化的转折